Positionier- und Spannvorrichtung für Werkzeuge und/oder Werkstücke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionier- und Spannvorrichtung für Werkzeuge und/oder Werkstücke umfassend einen Grundkörper, einen im Grundkörper verschiebbar angeordneten Kolben, einen mit dem Kolben verbindbar angeordneten Zapfen und mindestens ein Verriegelungsmittel zur Verriegelung der Positionier- und Spannvorrichtung gegenüber einem zum Grundkörper komplementär ausgebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter.

Im Werkzeugmaschinenbau werden in einem so genannten Bearbeitungszentrum Werkstücke mit computergesteuerten Werkzeugen bearbeitet. Zum genauen Positionieren und Festhalten des Werkstückes in Bezug auf das Werkzeug, oder umgekehrt, werden Schnellspannsysteme verwendet. Mit einem Schnellspannsystem wird erreicht, dass im dreidimensionalen Koordinatensystem, das die Grundlage für die Steuerung durch den Computer bildet, die Position des Werkzeuges oder des Werkstückes reproduzierbar und genau definiert werden kann. Wenn im Verlauf der Bearbeitung des Werkstückes häufig das Werkzeug oder die Bearbeitungsmaschine gewechselt werden muss, muss für die Computersteuerung gewährleistet sein, dass das Werkstück sich immer wieder am gleichen Platz im Koordinatensystem befindet.

Aus der DE 10116229 A1 ist eine gattungsgemässe Vorrichtung zum lösbaren Halten von Werkstücken an Bearbeitungsmaschinen bekannt. In einem Grundkörper ist eine zylindrische Aufnahme für einen dazu passenden Kolben ausgebildet. Der Kolben wird entgegen einer Federkraft von einem hydraulischen oder pneumatischen Medium in der Z-Richtung bewegt. Ein Spannzapfen, der mit einer Palette verbunden wird, ist in einer Kugelhülse beweglich in der Z-Richtung gelagert. In der Kugelhülse sind am Umfang des Spannzapfens mehrere Kugeln radial beweglich angeordnet. Durch besonders ausgebildete Spannflächen am Spannzapfen und am Kolben wird der Spannzapfen durch die Bewegung des Kolbens zentriert und eingespannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Positionier- und Spannvorrichtung mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich anzugeben, die aus möglichst wenigen Teilen aufgebaut ist, eine lange Lebensdauer und eine möglichst hohe Spann- und Haltekraft gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positionier- und Spannvorrichtung für Werkzeuge und/oder Werkstücke umfassend einen Grundkörper, einen im Grundkörper verschiebbar angeordneten Kolben, einen mit dem Kolben verbindbar angeordneten Zapfen und mindestens ein Verriegelungsmittel zur Verriegelung der Positionier- und Spannvorrichtung gegenüber einem zum Grundkörper komplementär ausgebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter, wobei der Grundkörper mit einer Zylinderaufnahme zur Aufnahme des Kolbens ausgebildet ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Zapfen ein Klemmkonus angeordnet ist, wobei an dem Klemmkonus und an dem Kolben Steuerflächen ausgebildet sind, wobei am Verriegelungsmittel weitere mit den Steuerflächen des Klemmkonus und des Kolbens zusammenwirkende Steuerflächen ausgebildet sind und wobei das Verriegelungsmittel radial verschiebbar im Grundkörper angeordnet ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es ist von Vorteil, dass die Positionier- und Spannvorrichtung eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit gewährleistet. Dies wird dadurch erreicht, dass am

Aussenumfang des Grundkörpers Z-Auflagen ausgebildet sind. Dies wird auch dadurch erreicht, dass der Grundkörper auf der Aussenseite eine konisch ausgebildete Zentrierfläche aufweist. Die wird auch dadurch erreicht, dass die konisch ausgebildete Zentrierfläche konzentrisch mit einer zylindrischen Aussenfläche des Grundkörpers ausgebildet ist. Der Grundkörper, der aus einem Stück gefertigt ist, übernimmt alle Funktionen, die für ein präzises Spannen und

Zentrieren des Werkstückes notwendig sind.

Es ist auch von Vorteil, dass die Positionier- und Spannvorrichtung leicht gereinigt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass im Grundkörper benachbart zur Z- Auflage waagrechte und schlitzförmige Ausblasöffnungen ausgebildet sind. Dies wird auch dadurch erreicht, dass zur zylindrischen Aufnahme im Grundkörper Leitungen für die Spülluft ausgebildet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Positionier- und Spannvorrichtung,

Figur 2 eine perspektivische Sicht auf die Positionier- und Spannvorrichtung von Figur 1 ,

Figur 3 eine weitere Sicht auf die Positionier- und Spannvorrichtung von Figur 1 ,

Figur 4a,b eine perspektivische Sicht auf ein Verriegelungsmittel zur Positionier- und Spannvorrichtung von Figur 1 ,

Figur 5 eine perspektivische Sicht auf einem Kolben zum Verriegelungsmittel von Figur 4,

Figur 6 eine perspektivische Sicht auf einem zur Positionier- und Spannvorrichtung komplementär ausgebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter und

Figur 7 eine perspektivische Sicht auf einem weiteren komplementär ausgebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter.

In Figur 1 ist eine Positionier- und Spannvorrichtung 1 geschnitten entlang der Z- Achse dargestellt. Die Z-Achse wird dabei in einem Koordinatensystem mit drei Achsen X, Y und Z als die senkrecht verlaufende Achse verstanden. Die Positionier- und Spannvorrichtung 1 besteht aus einem Grundkörper 2, der mit der Unterseite auf einer hier nicht abgebildeten Platte oder auf einem Arbeitstisch befestigt werden kann. Zur Positionier- und Spannvorrichtung 1 gehört einen dazu komplementär ausgebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter 30, der in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Der Grundkörper 2 hat eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form. Im Grundkörper 2 ist eine zylindrische Aufnahme 3 für einen Kolben 4 ausgebildet. Der Kolben 4 kann in der Richtung der Z-Achse bewegt werden. Für eine Bewegung des Kolbens 4 in der positiven Richtung der Z-Achse wird ein hydraulisches oder pneumatisches Medium verwendet. Für die Bewegung in der entgegen gesetzten Richtung dienen Federn 5 und/oder der Druck des hydraulischen oder pneumatischen Mediums. In der Platte sind

Zufuhrleitungen für das hydraulische oder pneumatische Medium vorgesehen. Zur Abdichtung gegenüber der Platte weist der Grundkörper 2 an einer zylindrischen Aussenfläche 61 einen O-Ring 6 auf. Die Abdichtung zwischen dem Kolben 4 und dem Grundkörper 2 wird durch spezielle Dichtungen 7 mit einem X-förmigen Profil gewährleistet.

Von der unterhalb des Grundkörpers 2 angeordneten Platte oder vom Arbeitstisch her wird das hydraulische oder pneumatische Medium zum Grundkörper 2 und an die Unterseite des Kolbens 4 herangeführt. Im Grundkörper 2 verlaufen Leitungen, die eine offene Verbindung unter anderem zum Raum über dem Kolben 4 darstellen. Weiterhin sind Leitungen vorgesehen zu den Aufnahmen für die Federn 5 und zur zylindrischen Aufnahme 3 für die Spülluft, die notwendig ist für die Reinigung der Positionier- und Spannvorrichtung 1. Der Kolben 4 kann somit auch, anstelle von der Kraft der Federn 5 von dem Druck des hydraulischen oder pneumatischen Mediums in der entgegen gesetzten Richtung bewegt werden. Auch kann eine Kombination der Federkraft mit dem Mediumsdruck für den

Positionier- und Spannvorgang angewendet werden.

Im Kolben 4 ist auf der Oberseite ein Zapfen 8 eingeschraubt. Der Zapfen 8 ist als eine Passschulterschraube mit genau definierten Abmessungen ausgebildet. Die Passschulterschraube 8 umfasst einen Gewindebereich 9, einen Schulterbereich 10 und einen Kopfbereich 11. Zwischen dem Kopfbereich 11 der Passschulterschraube 8 und dem Kolben 4 sind im Schulterbereich 10 unter einander eine ringförmige Druckscheibe 12 und ein Klemmkonus 13 angeordnet. Die Unterseite des Klemmkonus 13 und die Oberseite des Kolbens 4 verlaufen zu einander parallel und sind mit einem gleich bleibenden Abstand zu einander angeordnet. Die Druckscheibe 12 dient zur Verteilung der Kraft, die vom Klemmkonus 13 auf dem Kopfbereich 11 der Passschulterschraube 8 ausgeübt wird.

Im Grundkörper 2 sind etwa auf der gleichen Höhe wie der Klemmkonus 13 radial verlaufende Durchbrüche 14 ausgebildet. In diesen Durchbrüchen 14 sind Verriegelungsmittel 15 radial verschiebbar angeordnet. Die Verriegelungsmittel 15, der Klemmkonus 13 und der Kolben 4 weisen jeweils Steuerflächen 16, 17, 18 auf, die mit einander zusammenwirkend ausgebildet sind. Die Steuerflächen 16,17,18 sind beispielsweise ausgebildet als Flanken, Nuten oder Rippen, die alle unter dem gleichen Winkel von beispielsweise etwa 45° zur Z- Achse ausgebildet sind. Die Steuerflächen 16, 17, 18 sind zu einander parallel verlaufend angeordnet. Hiermit wird erreicht, dass die sich radial bewegenden Verriegelungsmittel 15 von der Bewegung des Kolbens 4 und des Klemmkonus 13 zwangsgeführt oder zwangsgesteuert werden. Durch die Bewegung des Kolbens 4 nach oben, entgegen der Kraft der Federn 5 werden die Verriegelungsmittel 15 radial nach innen bewegt. Umgekehrt werden durch die Bewegung des Kolbens 4 und des Klemmkonus 13 nach unten die Verriegelungsmittel 15 radial nach aussen bewegt. Der Klemmkonus 13 hat eine Zentralbohrung 32 mit einem Innendurchmesser, der deutlich grösser ist als der Aussendurchmesser des Schulterbereiches 10 der Passschulterschraube 8. Hierdurch wird der

Klemmkonus 13 um die Z-Achse schwimmend in den Richtungen der X- und der Y-Achse gelagert. Hiermit werden Differenzen in den Bewegungen der einzelnen Verriegelungsmittel 15 ausgeglichen und eine definierte, gleichmässige Spannung des komplementären Werkstück- oder Werkzeughalters 30 erreicht.

Die Verriegelungsmittel 15 sind ausgebildet als Schieber oder Riegel mit einem rechteckigen und runden Querschnitt. Die Verriegelungsmittel 15 weisen am innerhalb des Grundkörpers 2 liegenden Ende einen Fuss 19 auf. Mit dem Fuss 19 wird erreicht, dass die Verriegelungsmittel 15 unverlierbar im Grundkörper 2 angeordnet sind. Am ausserhalb des Grundkörpers liegenden Ende weisen die Verriegelungsmittel 15 ein Profil 20 auf, das genau zum komplementär zum Grundkörper 2 gebildeten Werkstück- oder Werkzeughalter 30 ausgebildet ist.

Der Klemmkonus 13 weist oben, d.h. im Bereich mit dem grössten Konusdurchmesser, eine erste konische Fläche 31 auf, die unter einem Winkel von weniger als 10° zur Z-Achse verlaufend ausgebildet ist. Durch den steilen Winkel der konischen Fläche 31 wird erreicht, dass zwischen dem Verriegelungsmittel 15 und dem Klemmkonus 13 eine Selbsthemmung wirken kann, die auch bei Wegfall des Mediumsdruckes oder bei Abwesenheit der Federkraft eine sichere und feste Halterung aufrecht erhält.

Oben im Grundkörper 2 ist konzentrisch mit der Aufnahme 3 eine weitere zentrale Bohrung 21 ausgebildet. In der Bohrung 21 ist ein Deckel 22 unverlierbar angeordnet. Der Deckel 22 ist hierzu, wie in Figur 1 ersichtlich, mit einem Hutrand 24 ausgebildet. Anstelle des Hutrandes 24 kann der Deckel 22 im Randbereich mit einer Nut versehen sein, in der ein Spreng- oder Spreizring eingelegt wird, der sich nach dem Einführen durch die Bohrung 21 spreizt und ein wieder Ausführen durch die zentral Bohrung 21 verhindert. Der Deckel 22 überdeckt den Kopfbereich 11 der Passschulterschraube 8 und kann in der Richtung der Z-Achse auf und ab bewegt werden. Zwischen dem Kopf 11 und dem Deckel 22 ist eine Feder 23 angeordnet, die dafür sorgt, dass der Deckel 22 im nicht belasteten

Zustand, d.h. ohne Kupplung an dem komplementäre Werkstück- oder Werkzeughalter, aus dem Grundkörper 2 nach aussen gedrückt wird. Durch die nach oben über dem Grundkörper 2 vorstehende Anordnung des Deckels 22 wird erreicht, dass der komplementäre Werkstück- oder Werkzeughalter 30 möglichst sanft an die Positionier- und Spannvorrichtung 1 herangeführt und wieder abgehoben werden kann. Im belasteten Zustand drückt der Kolben 4 den Deckel 22 nach oben bis die Oberkante des Deckels 22 bündig ist mit der Oberkante des Grundkörpers 2. Der Hutrand 24 oder der Spannring des Deckels 22 wird von einem Anschlag 25 des Grundkörpers 2 aufgefangen.

In Figur 2 ist die Positionier- und Spannvorrichtung 1 perspektivisch dargestellt. Hier ist ersichtlich, wie am Aussenumfang des Grundkörpers 2 vier Verriegelungsmittel 15 mit dem Profil 20 angeordnet sind. Weiter unten sind am Grundkörper 2 vier Z-Auflagen 26 ausgebildet. Direkt oberhalb jeder Z-Auflage 26 ist eine Ausblasöffnung 27 ausgebildet. Die Ausblasöffnung 27 ist leicht nach unten geneigt, d.h. gerichtet auf den Z-Auflagen 26 angeordnet und schlitzförmig ausgebildet. Durch den Ausblasschlitz 27 wird die Z-Auflage 26, beim Positionieren des komplementären Werkstück- oder Werkzeughalters 30, mit Druckluft sauber geblasen. Am Grundkörper 2 ist weiterhin eine konisch verlaufende Zentrierfläche 28 ausgebildet. Die Zentrierfläche 28 verlauft genau konzentrisch mit der zylindrischen Aussenfläche 61 des Grundkörpers 2. Durch die konzentrische Anordnung der Aussenfläche 61 und der Zentrierfläche 25 wird erreicht, dass die Positionier- und Spannvorrichtung 1 an einem genau definierten Platz auf der Platte oder auf dem Arbeitstisch befestigt und positioniert werden kann.

In Figur 3 ist die Positionier- und Spannvorrichtung 1 in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Der Grundkörper 2 ist rotationssymmetrisch und genau passend zum komplementären Werkstück- oder Werkzeughalter 30, der in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist, ausgebildet. In Figur 3 ist auch eine Anwesenheitskontrolle 36 angedeutet. In eine der Z-Auflagen 26 ist eine kleine Bohrung 36 ausgebildet, die

mit dem hydraulischen oder pneumatischen Medium durchströmt wird, so lange sich kein Werkstück- oder Werkzeughalter 30 auf der Z-Auflage 26 befindet. Wenn die Bohrung 36 mit dem Werkstückhalter 30 zugedeckt wird, kann mittels eines Strömungs- oder ein Druckwächters festgestellt werden, dass kein Medium mehr strömt und dass das Werkstück richtig positioniert wurde.

In den Figur 4a und 4b ist das Verriegelungsmittel 15 für sich alleine perspektivisch dargestellt. In Figur 5 ist der Kolben 4 für sich alleine perspektivisch dargestellt. Der Kolben 4 weist Durchbrüche 29 auf, in die das Verriegelungsmittel 15 in radialer Richtung nach innen oder nach aussen bewegt werden kann. Am Verriegelungsmittel 15 und am Kolben 4 sind die Steuerflächen 16, 18 ersichtlich. Weitere dazu passenden Steuerflächen 17 sind am Klemmkonus 4 ausgebildet. Mit den Steuerflächen 16, 17, 18 wird erreicht, dass die Verriegelungsmittel 15 in beiden Richtungen im Kolben 4 und im Grundkörper 2 zwangsgeführt werden können.

Zwischen dem Verriegelungsmittel 15 und dem Grundkörper 2, sowie zwischen dem Deckel 22 und dem Grundkörper 2 sind keine Dichtungen angeordnet, so dass hier die Spülluft austreten kann und die Aussenseite der Positionier- und Spannvorrichtung mit Druckluft bis zum Moment der Berührung des Grundkörpers 2 mit dem komplementären Werkstück- oder Werkzeughalter 30 gereinigt werden kann.

In den Figuren 6 und 7 sind zwei Varianten des komplementären Werkstück- oder Werkzeughalters 30 perspektivisch dargestellt. Für die Positionierung von grossen

Werkstücken wird mehr als eine Positionier- und Spannvorrichtung 1 benötigt.

Davon ist üblicherweise eine Vorrichtung zur so genannten Nullpunktzentrierung und eine zur Festlegung des Werkstückes in der X- oder Y-Richtung geeignet.

Andere sind nicht zur Positionierung sondern nur zur Spannung oder Halterung ausgelegt. Der Werkstückhalter 30 aus Figur 6 weist eine Zentrierfläche 33 auf, die rundum durchgehend konisch ausgebildet ist. Der Durchmesser der konischen

Zentrierfläche 33 ist genau angepasst an dem Durchmesser der Zentrierfläche 28 der Positionier- und Spannvorrichtung 1. Hiermit wird erreicht, dass eine spielfreie Positionierung mit minimaler Deformation der zu kuppelnden Vorrichtungen möglich wird. Die Durchmesser der konischen Zentrierflächen 28,33 wird so ausgelegt, dass lediglich eine Deformation im elastischen Bereich des Werkstoffes auftreten wird.

Der Werkstück- oder Werkzeughalter 30 weist am nach unten gerichteten Rand eine der Zentrierfläche 33 vor gelagerten Schutzrand 34 auf. Der Schutzrand 34 schützt die Zentrierfläche 33 vor Verschmutzung und Beschädigung. Der

Werkstück- oder Werkzeughalter 30 aus Figur 7 weist zwei gegenüber einander angeordneten Zentrierflächen 35 auf. Der Werkstück- oder Werkzeughalter 30 aus Figur 7 ist somit nur für die Zentrierung in der Richtung der X- oder Y-Achse ausgelegt.

Mit der erfindungsgemässen Positionier- und Spannvorrichtung 1 wird ein Spannsystem angeboten, dass auch bei einer hohen Belastung eingesetzt werden kann. Weil die Zentrierflächen 28 des Grundkörpers 2 relativ gross sind, und weil die Verriegelungsmittel 15 ohne Kugeln arbeiten, wird die Spannkraft auf Flächen statt auf Punkten verteilt. Es wird eine präzise Positionierung erreicht, die auch nach längerer Lebensdauer noch reproduzierbar ist. Die Haltekraft der Verriegelungsmittel 15 kann ohne Gefahr der Beschädigung wesentlich grösser eingestellt werden als bei einer Vorrichtung mit Kugeln.